Thuật ngữ viết tắt Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt 3G Third Generation Thế hệ thứ ba ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít BPM Bi-Phase Modulation Điều chế pha cơ hai CATV Cable Television or Community Antenna Television Truyền hình cáp hay truyền hình anten cộng đồng CE Consummer Equipment Thiết bị người dùng CMOS Complementary Metal-oxide- Semiconductor Bán dẫn ôxít kim loại bổ xung DS- CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã - chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM FCC Federal Communications Commission Uỷ ban truyền thông liên bang FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FH Frequency Hopping Nhảy tần FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy tần GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn i cầu GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động HDTV High-Definition Television Tivi có độ phân giải cao IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LOS Line-of-Sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MB- OFDM Multiband-OFDM Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - đa băng MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia về ảnh động OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OOK On-Off Keying Khoá On-Off PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân PN Pseudo Noise Giả tạp âm PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SS Spread Spectrum Trải phổ STB Set-Top Box Hộp kết nối từ nguồn nội dung đến Tivi SVGA Super Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video cấp cao TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TH Time Hopping Nhảy thời gian THSS Time Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy thời ii gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp toàn cầu UWB Ultra WideBand Băng tần siêu rộng VGA Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây WPAN Wireless PAN Mạng nội bộ cá nhân không dây WUSB Wireless USB Bus nối tiếp toàn cầu vô tuyến XVGA eXtended Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video mở rộng iii Lời nói đầu Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông tin của Internet, như là: các ứng dụng đa phương tiện bao gồm: MP3, truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt. Một vài hệ thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn được phát triển (3G và WLAN) được thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phương tiện này và truyền dẫn video chất lượng thấp. Nhu cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện, nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao cho tiện lợi nhất. Các công nghệ vô tuyến như Bluetooth, hồng ngoại,…, chưa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn. Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bước đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã được đề xuất. Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là yêu cầu hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự. Các xung UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này. Xuất phát từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tượng nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình. Nhưng do sự hạn chế về thời gian, nên trọng tâm của đề tài là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là: “công nghệ truyền thông ultra wideband” Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề cơ bản được phân ra thành từng chương với những nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB. Chương 2: Phân tích tín hiệu UWB Chương 3: Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ thu tín hiệu UWB. 1 Chương 4: So sánh UWB với các công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng khác. Chương 5: Phân tích nhiễu. Chương 6: Kết luận. Chương 7: Phụ lục. Đồ án đã làm rõ được các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông này. Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều điểm cần được chỉnh sửa. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để đồ án có thể tiếp tục được phát triển hoàn thiện. 2 Chương 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Hình vẽ 1-1dưới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hướng phát triển của các hệ thống cũ. Chúng được nâng cấp từng bước để có thể tiến lên mạng băng rộng. Con đường đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác nhau do công nghệ sử dụng trước đó là khác nhau. Xét về khía cạnh thay đổi để có thể được nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ thống như GSM hay TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA được sử dụng ngay từ đầu. Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã được ứng dụng trước đó. 1.1.1 3G và WLAN Trong hệ thống 3G, như UMTS hay CDMA-2000, tốc độ dữ liệu của người dùng có thể được cung cấp lên tới 2 Mbps trong môi trường tĩnh, trong 3 khi đó khi di động thì tốc độ dữ liệu hỗ trợ sẽ thấp hơn. Với khả năng về thông lượng như trên có thể hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phương tiện hoặc truyền video chất lượng thấp. Kích thước của một tế bào (cell) của hệ thống 3G nhỏ hơn hệ thống 2G hiện tại, như GSM, khoảng 300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn hơn trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2). Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lượng dữ liệu cao hơn (xem hình 1-3). Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trường cung cấp cho người dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên đến 100 mét. Trong tương lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54 Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới được thiết kế có làm cho hệ thống hỗ trợ mạng ad-hoc, dịch vụ được đồng bộ hoá, và thích ứng liên kết động với điều khiển QoS. Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành một nền tảng tốt cho truyền dẫn video. 1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy (xem hình 1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng. Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có thể đáp ứng vẫn tồn tại. Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn 100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu 4 mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN). Trong khi đó, các hệ thống đang tồn tại như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này. Do đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB. 802.11 Thông lượng dữ liệu theo khoảng cách Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến 1.2 Lịch sử của UWB Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà nghiên cứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều kiện khái quát nhất. Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc 5 chủ yếu vào bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt tương ứng với: Maxwell và Hertz, Shannon, Moore, và Metcalfe. Quy luật đầu tiên là quy luật tự nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quy luật hoạt động. Thứ tự của chuỗi những quy luật theo đúng thời điểm khám phá và tầm quan trọng của chúng. Khi mà lĩnh vực truyền thông vô tuyến đã trưởng thành, những mối quan tâm chính và liên quan trực tiếp được nâng lên dần dần theo hướng về phía sau danh sách những quy luật cơ bản. Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz, thì không thể có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ được điều khiển. Nếu không có hiểu biết về các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xử lý tín hiệu phức tạp sẽ không thể thành công. Ultra-wideband đang đối mặt với thay đổi này, có lẽ từ hai quy luật đầu tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã chuyển sang hai quy luật cuối cùng. Các chuẩn hiển thị VGA SVGA XVGA SXVGA Số điểm ảnh ngang 640 800 1024 1280 Số điểm ảnh dọc 480 600 768 1024 Tổng điểm ảnh 307200 480000 786432 1310720 Tổng số bít (mầu 16 bít) 4915200 7680000 12582192 20971520 Tổng số bít (mầu 24 bít) 7372800 11520000 18874368 31457280 Mbps tại chuyển động tối thiểu 30 khung (mầu 16 bít) 147 230 377 629 Mbps tại chuyển động tối thiểu 30 khung (mầu 24 bít) 221 345 566 943 Mbps sau khi nén 6-32 15-50 20-70 30-100 Các ứng dụng MPEG-2 DVD Máy chiếu Máy chiếu xách tay Màn hình máy tính Bảng 1-1: Dữ liệu mong đợi cho truyền dẫn video Mặc dù thường được coi như là một bước đột phá trong truyền thông vô tuyến, nhưng UWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ. Nền tảng lớp vật lý cho truyền dẫn xung UWB đã được thiết lập bởi Sommerfeld một thế kỷ trước (1901) khi ông muốn ngăn chặn sự tán xạ của xung trong miền thời 6 gian bằng cách dùng một cái nêm dẫn hoàn hảo. Trong thực tế, có người đã cho rằng UWB xuất phát từ thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửa của Marconi và Hertz vào cuối những năm 1890. Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống truyền thông vô tuyến đầu tiên đã dựa trên UWB. Do những hạn chế về công nghệ, nên truyền thông băng hẹp được quan tâm nhiều hơn UWB. Khá giống với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đường tương tự như vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông trong quân đội. Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển mạnh vào năm 1998. Những mối quan tâm đến UWB chỉ được “châm ngòi” từ khi FCC phát hành một báo cáo và quy định vào tháng 2 năm 2002 về việc cho phép triển khai mang tính thương mại với yêu cầu mặt nạ phổ (xem 1.4) cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời. Như vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhưng UWB xuất hiện với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1- 10.6 GHz) đã được FCC cấp phát. 1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phương pháp truyền tin cổ điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không được coi như là một phương tiện truyền thông mãi cho đến thời gian gần đây. Một vài đặc điểm của hệ thống này có thể được nhấn mạnh, mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống như các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại (như CDMA hoặc OFDM): 1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lượng tối đa có thể đạt được trong một kênh với tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W là: ( ) SNRWC += 1log 2 (1-1) SNR không có thứ nguyên và W có đơn vị là Hz. Dung lượng tăng theo hàm logarit với công suất (tương ứng với SNR) và tuyến tính với độ rộng băng. Điều đó không có nghĩa là một hệ thống vô tuyến UWB sẽ hoạt động sát với 7 [...]... Truyền thông và cảm biến • Định vị và theo dõi • Radar Hình 1-13: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp 1.6.1 Truyền thông và cảm biến Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trường khách hàng Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng rộng lớn, theo đó hệ thống truyền thông có thể được cải thiện, tăng cường,nâng 16 cấp Các ứng dụng trong truyền. .. 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ 1.4 Thách thức đối với UWB Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và hấp dẫn cho truyền thông trong tương lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn một số thử thách cần phải vượt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có mặt ở khắp nơi Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển Truyền thông vô... nhập Internet băng thông rộng đối với các thiết bị máy tính di động tại một vùng xa xôi Ngày nay, hai công nghệ đang tạo ra những Hotspot là: WLAN 802.11a/b/g và WPAN dựa trên công nghệ Bluetooth Cả hai đều có những giới hạn về đánh địa chỉ cho các nhu cầu hỗn hợp về kết nối băng thông rộng: dung lượng không gian cao nhằm phục vụ nhiều người trong một không gian cho trước và tiêu thụ công suất thấp UWB... dụng UWB Giống như công nghệ Bluetooth, mọi thiết bị sử dụng UWB đều có thể là nguồn phát và thu nội dung Các thiết bị có thể được kết nối trực tiếp với nhau thông qua WUSB Lúc đó, độ tiện lợi sẽ được nâng lên một cấp độ khác (hình 117) Hình 1-18 thể hiện một sự kết hợp công nghệ tạo ra một sự tiện lợi chưa từng có Trong đó WLAN và LAN hữu tuyến, WUSB (có thể sử dụng UWB khi công nghệ này đã trưởng... cùng, để kết thúc phần ứng dụng của UWB, chúng ta sẽ tìm hiểu một mảng khá ngạc nhiên, UWB thông qua dây (UWB over wires) Công nghệ UWB có thể hoạt động thông qua dây dẫn và cáp Điều này có thể làm tăng gấp đôi băng tần khả dụng cho hệ thống truyền hình cáp (CATV) mà không cần thay đổi hạ tầng đã tồn tại Công nghệ over-wire cho cáp đồng trục có thể cung cấp tới 1.2 Gbps cho đường xuống và 480 Mbps cho... cơ ngơi người dùng Công nghệ UWB wire - line không gây nhiễu hay làm giảm chất lượng truyền hình, Internet tốc độ cao, thoại hoặc các dịch vụ khác đã được cung cấp bởi hạ tầng CATV Công nghệ này sẽ tạo cho người vận hành các khả năng đối với hạ tầng đã tồn tại để cung cấp tốt hơn các chức năng và làm tăng tổng thu nhập Hệ thống này sử dụng các kỹ thuật mới để kết hợp hoàn hảo truyền thông UWB vô tuyến... chất lượng cao đồng thời Công nghệ UWB cung cấp một thông lượng như đã được yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp của các thiết bị đã hội tụ Ngoài ra với sự hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, như WIMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn sự hoạt động tương tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB, và Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công nghệ băng rộng tạo ra WPAN... ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2) Với WPAN sử dụng UWB, khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông tin xuất hiện khi người dùng bấm nút Play Đặc điểm Lợi ích Thông lượng tốc độ cao Nhanh, truyền với chất lượng cao Tiêu thụ công. .. Các thiết bị này thông thường được đặt trong các phòng khác nhau và được dùng cho nhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên, chủ nhân của chúng vẫn hy vọng chúng có thể tương tác được với nhau-bộ chạy MP3 trao đổi file với PC, bộ ghi hình số thông tin với STB,… Sự hội tụ của các loại thiết bị này cần phải có một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lượng dữ liệu... làm tăng khả năng điều khiển kiểm kê Vì tính chất di động của con người và các đối tượng tăng lên, những thông tin mới nhất và chính xác về vị trí trở thành một nhu cầu thị trường thích đáng Trong khi GPS và một số công nghệ E911 hứa hẹn tạo ra một mức độ chính xác nào đó bên ngoài nhà, thì các công nghệ theo dõi bên trong nhà hiện tại vẫn còn không ít khó khăn và có độ chính xác khoảng từ 3 đến 10 mét . 2 Chương 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến Hình vẽ 1-1dưới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Hình. nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là: công nghệ truyền thông ultra wideband Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề. công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng khác. Chương 5: Phân tích nhiễu. Chương 6: Kết luận. Chương 7: Phụ lục. Đồ án đã làm rõ được các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông